머신비전에서는 다양한 렌즈들이 제품의 불량을 검출하기 위해 사용되고 있다. 일반적인 렌즈의 시야로는 물체의 외관 일부분만을 촬영할 수 있고 전체 외관을 검사하기 위해서는 거울 등의 광학부품이나 여러 대의 렌즈와 카메라가 필요하게 된다. 이는 광학 시스템의 크기를 크게 만들며 고비용의 단점이 있다. 본 논문에서는 물체의 상면과 측면을 동시에 촬영할 수 있는 hypercentric 렌즈의 설계 주안점을 제시하였으며, 다양한 물체 촬영에 대응하며 이미지 크기를 유지할 수 있는 hypercentric 렌즈를 설계하였다. 또한 제작품의 성능 분석을 통해 설계의 타당성을 검증하였다.
머신비전에서는 다양한 렌즈들이 제품의 불량을 검출하기 위해 사용되고 있다. 일반적인 렌즈의 시야로는 물체의 외관 일부분만을 촬영할 수 있고 전체 외관을 검사하기 위해서는 거울 등의 광학부품이나 여러 대의 렌즈와 카메라가 필요하게 된다. 이는 광학 시스템의 크기를 크게 만들며 고비용의 단점이 있다. 본 논문에서는 물체의 상면과 측면을 동시에 촬영할 수 있는 hypercentric 렌즈의 설계 주안점을 제시하였으며, 다양한 물체 촬영에 대응하며 이미지 크기를 유지할 수 있는 hypercentric 렌즈를 설계하였다. 또한 제작품의 성능 분석을 통해 설계의 타당성을 검증하였다.
In the field of machine vision, a variety of lenses are used to inspect a product for defects. Only part of the appearance of an object can be photographed with a general lens. Optical components such as mirrors, multiple lenses and cameras are required to inspect the entire exterior. This increases...
In the field of machine vision, a variety of lenses are used to inspect a product for defects. Only part of the appearance of an object can be photographed with a general lens. Optical components such as mirrors, multiple lenses and cameras are required to inspect the entire exterior. This increases the size of the optical system, and has the disadvantage of high cost. In this paper, we design a hypercentric lens, which can photograph the top and side of an object, and various sizes of objects while maintaining the image size. Also, the validity of the design is verified through the performance analysis of the product.
In the field of machine vision, a variety of lenses are used to inspect a product for defects. Only part of the appearance of an object can be photographed with a general lens. Optical components such as mirrors, multiple lenses and cameras are required to inspect the entire exterior. This increases the size of the optical system, and has the disadvantage of high cost. In this paper, we design a hypercentric lens, which can photograph the top and side of an object, and various sizes of objects while maintaining the image size. Also, the validity of the design is verified through the performance analysis of the product.
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문제 정의
이는 일반적인 렌즈 사용 시 보다 렌즈와 카메라의 수를 줄일 수 있어 비용 절감의 효과를 얻을 수 있으나 측면의 경우 고해상도 이미지 획득이 어렵다는 단점이 있다. 본 논문에서는 백색광 사용에서도 고해상도를 갖는 hypercentric 렌즈 설계를 목표로 하였으며 또한 multi-configuration view를 가짐으로써 렌즈의 시야 사용 범위를 확대시켜 사용자의 시스템 적용 편의성을 향상시킬 수 있도록 하였다.
가설 설정
Perspective center가 무한 거리에 위치하기 때문에 배율이 물체 거리에 무관하게 유지된다. Hypercentric perspective 렌즈는 구경 조리개가 이미지 측 초점과 이미지 평면 사이에 위치하게 된다. Perspective center가 물체 뒤에 있기 때문에 먼 물체가 가까운 물체보다 크게 보이게 된다[6].
Configuration 1과 Configuration 3 사이에는 다수의 configuration이 존재하며 CTF (contrast transfer function) 성능은 Configuration 3의 CTF 성능 이상을 모두 만족한다. Hypercentric perspective의 특성상 물체의 측면을 볼 수 있지만 측면 부분은 상면 부분의 비율보다 축소되어 결상된다. 외관 검사의 경우 측면부의 결함도 축소되어 보이기 때문에 비교적 높은 해상도를 가질 수 있도록 설계되었으며 CTF 값은 100 lp/mm의 공간주파수에서 확인하였다.
외관 검사의 경우 측면부의 결함도 축소되어 보이기 때문에 비교적 높은 해상도를 가질 수 있도록 설계되었으며 CTF 값은 100 lp/mm의 공간주파수에서 확인하였다. 각 configuration의 입사동의 위치는 동일하며 물체 거리가 짧아짐에 따라 볼 수 있는 시야가 확대된다. 물체 거리 변화에 대한 초점 위치 보상은 상 거리를 조절하여 보상할 수 있으며 상측은 telecentric 렌즈 구조를 가짐으로써 초점 위치 보상에 따른 이미지 크기 변화는 없다.
제안 방법
Hypercentric 렌즈의 특성을 가지기 위한 설계 조건을 알아보고 시뮬레이션을 통해 hypercentric perspective view를 확인하고자 한다. 또한 단일 시야의 hypercentric 렌즈를 극복하기 위해 본 논문에서는 multi-configuration을 이용하여 다양한 시야를 가지는 hypercentric 렌즈를 설계하였다.
Hypercentric 렌즈의 특성을 가지기 위한 설계 조건을 알아보고 시뮬레이션을 통해 hypercentric perspective view를 확인하고자 한다. 또한 단일 시야의 hypercentric 렌즈를 극복하기 위해 본 논문에서는 multi-configuration을 이용하여 다양한 시야를 가지는 hypercentric 렌즈를 설계하였다. 해상도는 카메라 픽셀 크기 5 µm에 최적화하여 공간주파수 100 lp/mm에서 성능 분석을 하였다.
본 논문에서는 hypercentric perspective 렌즈에 multiconfiguration을 적용하여 다양한 시야에 대응되는 렌즈를 설계하였다. 시뮬레이션 이미지와 촬영된 이미지 비교를 통해 물체의 상면과 측면을 볼 수 있는 hypercentric perspective 형성을 확인하였으며 다양한 크기의 물체를 촬영하여 다양한 시야에 대응하는 multi-configuration view를 확인함으로써 hypercentric perspective 렌즈 설계에 대한 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 hypercentric perspective 렌즈에 multiconfiguration을 적용하여 다양한 시야에 대응되는 렌즈를 설계하였다. 시뮬레이션 이미지와 촬영된 이미지 비교를 통해 물체의 상면과 측면을 볼 수 있는 hypercentric perspective 형성을 확인하였으며 다양한 크기의 물체를 촬영하여 다양한 시야에 대응하는 multi-configuration view를 확인함으로써 hypercentric perspective 렌즈 설계에 대한 타당성을 검증하였다. 성능 분석에서도 제작된 hypercentric 렌즈의 설계성능과 실제 성능을 비교하였고 최대 CTF 12%의 성능 차이를 보였으며 백색광에서 CTF 값은 37% (@ 100 lp/mm) 이상을 만족하여 실제 산업 검사 환경에 사용될 수 있는 사양을 갖추었다.
또한 단일 시야의 hypercentric 렌즈를 극복하기 위해 본 논문에서는 multi-configuration을 이용하여 다양한 시야를 가지는 hypercentric 렌즈를 설계하였다. 해상도는 카메라 픽셀 크기 5 µm에 최적화하여 공간주파수 100 lp/mm에서 성능 분석을 하였다. 또한 사용 파장을 백색광으로 하여 단일 파장은 물론 다파장 광원에서도 성능을 만족할 수 있도록 설계하였다.
대상 데이터
설계된 hypercentric 렌즈 시스템은 12개의 구면렌즈로 구성되어 있으며, 2개의 렌즈군으로 앞쪽, 뒤쪽 렌즈군으로 나눌 수 있다. 앞쪽 렌즈군은 높은 개구수를 가지며 물체로부터 출사 되는 빛을 모으는 역할을 한다.
데이터처리
‘OpticStudio’ 프로그램의 몬테카를로 공차분석 시뮬레이션[8]을 이용하여 표 2의 공차 할당 값으로 공차분석을 진행하였다. Configuration 1에 대한 공차분석 결과를 보면 시뮬레이션 결과의 90%가 MTF (modulation transfer function) 37% (@ 100lp/mm) 이상의 성능을 만족하였다.
성능/효과
을 이용하여 표 2의 공차 할당 값으로 공차분석을 진행하였다. Configuration 1에 대한 공차분석 결과를 보면 시뮬레이션 결과의 90%가 MTF (modulation transfer function) 37% (@ 100lp/mm) 이상의 성능을 만족하였다. Configuration 2의 경우는MTF 37% (@ 100 lp/mm), Configuration 3의 경우는 MTF36% (@ 100 lp/mm)를 만족하였다.
시뮬레이션 이미지와 촬영된 이미지 비교를 통해 물체의 상면과 측면을 볼 수 있는 hypercentric perspective 형성을 확인하였으며 다양한 크기의 물체를 촬영하여 다양한 시야에 대응하는 multi-configuration view를 확인함으로써 hypercentric perspective 렌즈 설계에 대한 타당성을 검증하였다. 성능 분석에서도 제작된 hypercentric 렌즈의 설계성능과 실제 성능을 비교하였고 최대 CTF 12%의 성능 차이를 보였으며 백색광에서 CTF 값은 37% (@ 100 lp/mm) 이상을 만족하여 실제 산업 검사 환경에 사용될 수 있는 사양을 갖추었다. 실제 산업계 에서 본 논문을 통해 hypercentric perspective 렌즈 개발에 대한 도움이 되길 바라며 다양한 사양의 hypercentric perspective 렌즈가 개발되어 산업계의 생산성 향상에 기여할 수 있기를 기대한다.
후속연구
성능 분석에서도 제작된 hypercentric 렌즈의 설계성능과 실제 성능을 비교하였고 최대 CTF 12%의 성능 차이를 보였으며 백색광에서 CTF 값은 37% (@ 100 lp/mm) 이상을 만족하여 실제 산업 검사 환경에 사용될 수 있는 사양을 갖추었다. 실제 산업계 에서 본 논문을 통해 hypercentric perspective 렌즈 개발에 대한 도움이 되길 바라며 다양한 사양의 hypercentric perspective 렌즈가 개발되어 산업계의 생산성 향상에 기여할 수 있기를 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
hypercentric perspective는 무엇인가?
Telecentric perspective는 산업용 렌즈로 가장 많이 쓰는 시각으로 초점심도 내의 물체는 거리와 상관없이 크기가 일정하게 보여 계측, 제어 부분에 많이 사용되고 있다. 마지막으로 hypercentric perspective는 entocentricperspective와 반대의 시각으로 물체가 가까울 때는 작게 멀리 있을 때는 크게 보이는 시각이다. 높이가 있는 물체를 위에서 촬영한다면 물체의 상면과 측면의 around view를 동시에 촬영할 수 있기 때문에 물체의 3차원적인 촬영이 가능하다.
hypercentric perspective의 장단점은?
마지막으로 hypercentric perspective는 entocentricperspective와 반대의 시각으로 물체가 가까울 때는 작게 멀리 있을 때는 크게 보이는 시각이다. 높이가 있는 물체를 위에서 촬영한다면 물체의 상면과 측면의 around view를 동시에 촬영할 수 있기 때문에 물체의 3차원적인 촬영이 가능하다. 이는 일반적인 렌즈 사용 시 보다 렌즈와 카메라의 수를 줄일 수 있어 비용 절감의 효과를 얻을 수 있으나 측면의 경우 고해상도 이미지 획득이 어렵다는 단점이 있다. 본 논문에서는 백색광 사용에서도 고해상도를 갖는 hypercentric 렌즈 설계를 목표로 하였으며 또한 multi-configuration view를 가짐으로써 렌즈의 시야 사용 범위를 확대시켜 사용자의 시스템 적용 편의성을 향상시킬 수 있도록 하였다.
제품의 외관 전체 검사에서 일반적인 렌즈 사용의 한계점은?
머신 비전의 핵심적인 부품은 바로 광학렌즈라고 할 수 있는데 렌즈의 특성에 의해 검사 방법과 검출 능력이 달라지게 된다. 특히 제품 검사 분야에서 외관 전체를 검사해야 하는 경우 일반적인 렌즈의 시각으로는 제품의 일부분만을 촬영할 수 있어 여러 개의 렌즈와 카메라를 사용하거나 제품을 회전하여 촬영한다[2,3]. 이는 비용 절감과 생산성 향상의 제약을 가져오게 된다.
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